[사이언스포럼]光유전학, 뇌 속을 밝힌다

과학계에서 최근 가장 활발히 연구되고 있는 주제 중 하나는 '뇌'다. 이를 반영하듯 미국을 비롯한 선진국들의 뇌 분야에 대한 연구 투자 역시 활발하다. 미국의 경우 지난 4월 버락 오바마 대통령이 인간의 뇌세포와 회로에 대한 비밀을 밝혀낼 초대형 뇌연구 프로젝트 계획을 발표했다. 'BRAIN프로젝트'로 명명된 이 과제는 2014년 예산만 무려 1억달러에 달하며, 이는 과거 인간 DNA 유전자 지도를 밝히기 위해 시작된 '인간 게놈 프로젝트'와 유사한 규모다. 이제 시작된 브레인 프로젝트는 알츠하이머와 자폐증, 간질 등 뇌와 관련한 난치병 치료제나 치료기술을 개발하는 것을 목표로 추진된다.

유럽연합(EU)에서는 연구개발사업의 통합운영 제도인 FP7을 통해 뇌신경과학 분야를 지원하고 있다. 일본의 경우에는 2009년 기준 연간 300억엔 정도가 뇌 분야 연구에 투자되고 있다. 이러한 나라들에 비해 우리나라에서의 뇌연구 투자 규모는 상대적으로 부족하다고 평가된다. 2009년 기준으로 총 610억원을 뇌과학 연구에 투자했는데 이는 미국의 164분의 1, 일본의 17분의 1 수준에 불과하다. 그렇지만 국내 뇌과학 연구 환경과 전망은 긍정적이다. 최근 발표된 '제3차 과학기술기본계획'에서 정부는 2017년까지 과학기술 연구개발 예산으로 총 92조4000억원을 투자하기로 결정했다. 이 중 뇌과학 분야도 기초과학 부문으로 중점 지원 대상이 돼 보다 활발한 연구활동을 기대할 수 있게 됐다.

이러한 뇌과학에 대한 사회적인 붐이 일어나게 된 이유는 무엇일까? 첫 번째로 인간의 수명이 연장되고 '웰빙(well-being)'과 '웰다잉(well-dying)'에 대한 관심이 높아지면서 치매 등 신경질환과 같은 뇌질환 문제 해결에 관심이 높아진 것을 들 수 있다. 두 번째로 산업 부문의 파급효과가 높기 때문이다. 구글이나 페이스북과 같은 정보기술(IT) 기업들의 검색 알고리즘 개념은 뇌과학의 인지과학에서 비롯됐고, IT 가 정보를 얼마나 효과적으로 처리하느냐의 문제도 뇌의 인지 메커니즘을 이해함으로써 해결할 수 있다.

이러한 목적을 위해 필자가 몸담고 있는 한국과학기술연구원(KIST)에서는 미래창조과학부가 지원한 세계 수준의 연구센터 사업을 통해 뇌의 비밀을 밝혀 줄 광유전학 연구를 수행하고 있다. 비교적 근래에 각광받고 있는 광유전학은 밤하늘의 별빛이 별의 위치, 온도, 주변 다른 별들의 존재 여부를 알려주듯 생명체의 몸속을 들여다보는 데도 빛을 이용하려는 시도다. 빛 자극의 파장에 따라 각각 다른 신경세포가 반응하기 때문에 이 성질을 이용해 특정 파장의 빛으로 신경세포 활동을 조절함으로써 뇌의 기능을 살펴보는 것이다. 이 기술을 통해 광유전적 유전자생쥐를 제작해 뇌의 회로를 분석하는 데 용이하게 만들었고, 신경망 맵핑 기술에 활용하여 뇌지도를 완성해 나가고 있다.

현재까지 광유전학은 기초ㆍ원천 분야의 뇌의 기능을 밝히는 데 집중하고 있지만 종국에는 기능이 저하된 근육 능력의 복구, 신경세포 손상으로 장애를 겪고 있는 중풍, 척추 손상 등의 환자에도 이용될 수 있으며, 시력장애인들의 시력 회복에도 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

기존에 진행된 인간 게놈 프로젝트의 경우 15년 계획으로 진행된 반면 미국 뇌연구 프로젝트의 완료기간은 아직 확실치 않다. 아직까지 '미지의 영역'으로 남아 있는 뇌연구는 기술적으로 어려운 부분이 많기 때문이다.